基于高精激光設備的客流監測及預警系統研究

王碩，張健欽

(1.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 100044； 2.現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 10044)

基于高精激光設備的客流監測及預警系統研究

王碩1，2*，張健欽1，2

(1.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 100044； 2.現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 10044)

現在越來越多的景區出現了因客流過大而帶來的安全隱患的情況，而傳統的景區管理方法不能做到實時高精度監測和預警，并提前做出處置。論文利用高精度激光探測設備獲取景區客流數據，并將客流數據和地理信息數據結合，并基于JavaWeb技術開發客流監測及預警系統。實現了對景區實時客流的高精度監測，在掌握景區實時數據的同時能對客流變化進行預警，并對景區管理進行提示和指導，有效減少了景區因為客流過大而帶來的各種安全隱患。

高精度激光客流；大客流監測；Web系統開發；客流預警

1 引 言

近年來，隨著經濟社會的不斷發展，城市化進程的加快，旅游、商業活動的日益繁榮，大城市中的綜合性商業街區、作為著名景點的歷史文化街區等區域可能出現人群“井噴”現象，特別是在節假日期間更為突出。人員逗留時間長，活動類型多，尤其是當存在多種步行交通設施的情況下，空間結構的復雜又會使得誘發事故因素增加，人群安全管理難度也隨之增加。以北京市的南鑼鼓巷為例，位于北京中軸線東側的交道口地區，是一個魚骨狀傳統文化胡同街區，至今已有740多年的歷史，被列入規劃中的25片舊城保護區。數據顯示，自2015年6月份以來，南鑼鼓巷接待的游客日均已達2萬人次，周末可達3～4萬人次，黃金周期間日游客人數更是攀升至10萬。由于南鑼鼓巷主街寬約 8 m，長 786 m，區域面積非常有限，大量游客的聚集給該地區造成了諸多安全隱患。

傳統的景區管理方法例如通過票務統計或者視頻監控畫面預估等方法相對單一而且落后，這些方法既不能精確的獲取景區內實時的客流人數，也不能對景區的管理起到及時的協助和指導作用，往往是當景區內客流過大超過了景區承載范圍后才發現，只能完成后置式、應急式的處置方法。

隨著現在測繪技術和計算機技術的發展，尤其是激光高精度客流監測產品的出現，能夠幫助獲取非常精確的客流數據，通過結合數據庫、網絡和數學算法等技術，做到有效的利用客流數據，實現對數據的處理、分析和可視化表達。通過這些技術整合出一套計算機系統，更加方便管理者有效地對景區客流進行監控和管理，具體優勢表現在以下幾點：

首先，激光高精度客流檢測產品利用激光探測和波形識別技術獲取人流數據，精度高的同時還具備能夠實時不停歇地自動檢測，全天候不受天氣、光線等環境影響等優勢。同時，通過數據庫和網絡技術，能夠將獲取的數據隨時傳輸到數據庫中進行管理和存儲，整個過程全自動化，高效快捷。并且結合計算機技術開發出一套完整的軟件系統，能夠實現人機快速交互，實現對景區客流的快速查詢，并且提供數據快速處理和分析，獲取需要的信息等功能。另一方面，結合系統獲取的客流數據和加入系統的數學模型，能夠實現對景區內游客的變化進行一定時間段的預測，幫助管理員在景區內客流飽和之前就啟動相應管理措施，大大減少因客流過大帶來的安全隱患。另外，系統還加入當前先進的數據表達技術，可通過文本、圖表、地圖控件、動態展示等多種方法表達客流數據，使用戶能夠快速直觀的獲取需要的信息。

綜上，本文主要討論了如何利用高精度的激光客流檢測儀器獲取數據，并開發出一套對應的系統，幫助提升對景區客流的管控，排除安全隱患。以北京南鑼鼓巷景區為研究對象，通過對南鑼鼓巷所有的通道和重點地區設置高精度激光設備，獲取南鑼鼓巷整個景區的大客流數據。利用Java Web技術開發出配套的軟件系統，對整個南鑼鼓巷地區的客流進行監測和預警。此研究對促進測繪科學的應用以及解決實際生活問題有一定的實際意義，也是對人流監測和管理的一次應用和嘗試。

2 大客流監測及預警系統關鍵技術

2.1 客流數據的獲取

為了保證大客流數據的準確性，采用激光高精度客流監測產品獲取相關的人流數據。激光高精度客流檢測產品是以二維激光掃描技術為核心，實現對每個客流個體的精確檢測，產品適用于寬范圍、高密度人群、室內和室外環境、對客流采集精度要求比較高的密集人群場合的客流量監測。

激光客流檢測產品的工作原理如圖1所示。

圖1 激光客流檢測產品的工作原理圖

在人群通道上方布設二維激光掃描儀，激光掃描儀與地面垂直掃描，就像是在通道的橫截面上布上一道看不見的激光簾，當行人通過激光簾時，行人的外圍輪廓會在當前幀的激光掃描數據中出現凸包模型，反映出行人的外輪廓。峰包數代表當前通過激光掃描面行人的個數，每個峰包的高度代表在該垂直掃描切面的行人高度。每個通過垂直激光掃描面的行人，其數據呈現為一個二維的凸包，表示該行人在通過激光掃描面時被連續數幀掃描到。通過數據聚類，可以檢測出凸包的數目，也就是得到通過激光掃描面的客流個數。同時，在儀器探頭上安裝兩個激光探頭，各自發射一個在通道的橫截面上的激光簾，兩個激光幕之間相差 15 cm，可以通過兩個分析兩個激光幕的波形得到經過人流的方向，可以根據現場安裝情況判斷人流是離開景區還是進入景區。

同時通過設立在不同通道位置的儀器，還可以將景區分成多個小區域，對每一個區域最新的人口數量進行統計，避免出現景區部分客流過大的情況。如圖2所示，在南鑼鼓巷景區中，通過在主街道中間設立激光探頭，可以將整個景區分為A和B兩個區域，管控區域縮小一定程度上提高了整個監控區域的客流量精度，并能更加迅速地反映整個景區的情況。

圖2 南鑼鼓巷景區設備安放點

2.2 數據處理

數據主要通過南鑼鼓巷地區安置的激光探測設備獲取，探測設備每隔 30 s會將過去 30 s內探測的人流數據傳輸到服務器的數據庫之中。利用數據庫的各種功能，建立合理的表空間和存儲數據結構，能夠確保獲取的人流量數據可以被更好更高效地利用起來。

首先根據設備獲取數據的特點，在數據庫中創建專門的表對實時人流數據進行存儲，在表中各個設備 30 s獲取的數據保存成一條數據插入表中，包括了設備ID，開始時間，結束時間，進入人數和離開人數等重要數據，如圖3(a)所示。以此為基礎，通過SQL語言(結構化查詢語言)，可以以不同條件進行篩選和整合，既能夠滿足查詢的需要，也能夠實現數據的分析比較。如圖3(b)所示，若需要獲取某一日整個景區客流每一個小時的統計結果，則可根據表中數據的時間項進行篩選，并且按照小時單位進行合并整合，最終直接獲得所需數據。

圖3

3 大客流監測及預警系統設計

3.1 系統開發技術

本系統采用Java Web為核心的開發方式，通過在服務器中布置Java Web程序，通過網絡，用戶可在客戶端通過瀏覽器直接訪問系統并進行相關操作。基于Java Web開發的系統開發工作主要包括了系統前端界面編寫和服務端程序編寫兩部分，其中系統的相關數據主要通過服務器鏈接相應數據庫，通過服務器中的程序指令命令數據庫，對其中的數據進行存儲和調用。

在系統的開發工作中，前端界面編寫主要通過HTML/CSS和Java Script兩種編程語言結合編寫。其中HTML/CSS保證了軟件界面設計需要的大部分功能，而Java Script在本身具有強大邏輯處理功能的同時，還存在多種類型的開源庫，例如Jquery、Jquery easyui等，能夠很大程度的節省開發工作量。同時目前基于JS庫的地圖和圖表API也十分豐富，例如leaflet、openlayer、Echarts和百度地圖API等，都為前臺的數據處理和可視化提供了非常方便的技術支持。

在服務端部分，主要是通過Java語言編寫Servlet程序。在整個Java Web工程中，通過xml協議，鏈接前后端的程序，用戶通過前端界面的操作，向服務端傳輸請求，服務端接受請求，執行相關的操作，并將結果返回到前端中，用戶通過前端讀取或處理返回結果。其中服務端部分最終要的就是連接數據庫，并實現數據的查詢、處理和刪除。

3.2 系統功能設計

根據系統設計以及對整個景區的大客流監測和預警功能的需求，綜合獲取的數據以及可視化表達方法，系統的功能模塊如圖4所示。

圖4系統的功能模塊圖

其中系統獲取的數據主要是客流信息，利用常見數據庫如Oracle或SQL Server數據庫，能夠將數據進行實時獲取和存儲統計，通過不同的調用方法，可將數據分為實時數據和歷史數據。其中實時數據主要用于系統運行中實時對整個景區的監測，歷史數據用于對整個景區情況的統計和分析，確定景區的整體承載量，找到對應的客流規律，進而對整個景區客流變化進行有效預警。

針對三個主要模塊，其具體功能包括：

(1)客流監測模塊：將激光探測設備獲取的實時數據表現出來，可以在系統中直接查詢，同時將每一次獲取的數據進行分析，當進入量相對離開量過大時候，進行警告提醒。

(2)客流預警模塊：通過歷史數據的統計，編寫相應的算法，對整個景區或者局部地區的人流量進行一定程度的變化預測，確保在景區內人口過多之前能夠采取相應措施，保證景區整體的安全。同時提供根據不同景區人流密度，相關疏散措施的指導。

(3)景區信息查詢模塊：首先通過軟件可以查詢景區相關信息，例如景區周邊信息、相關單位信息等。同時也可以對景區的客流數據進行查詢。

3.3 數據庫設計

大客流數據主要是設立在每一個通道口的激光掃描設備獲取的每時每刻的客流數量，包括了時間、空間等多種信息。綜合設立在各個通道口的激光掃描設備獲取的客流信息，就可以得到整個區域的大人流數據，形成對整個景區的監測。因此每一個設備獲取的客流信息既有空間上的獨立性，又通過時間就有關聯性。

每經過一段時間，各個設備將這段時間內探測得到的客流數據傳輸到數據庫，每個設備獲取的數據時間一致但空間信息相對獨立，需要將數據的空間性通過設備的位置屬性進行綜合處理，才能夠得到整個景區的大客流信息。

因此，需要在數據庫中創建兩個數據表進行數據存儲。如表1所示，第一個表設為Device，記錄激光掃描儀器屬性數據和空間數據，屬性數據包括儀器本身的各項參數，如設備編號、儀器型號、出廠時間等。空間數據則主要是與設備安裝和設置相關的信息，如設備ID編號、連接服務器IP地址、安裝的地點、GPS坐標等信息。如表2所示，第二個表設為Real-timedata，記錄和存儲各個設備獲得的客流信息，首先根據設備設立的位置方向和雙探頭功能，能夠得到探測時間內進入客流和離開客流的個數，為了數據時間的一致性還要有探測開始的時間和探測結束的時間。最后還要有設備ID編號，代表獲取這條數據的儀器。第一個表存儲內容為靜態數據，在儀器設備安裝完成后將不再發生變化，第二個表存儲動態數據，隨時獲取最新的人流信息。通過設備ID編號，兩個數據表可以進行關聯，獲取整個景區的客流信息。

Device數據表 表1

Real-timedata數據表 表2

4 南鑼鼓巷大客流監測及預警系統實現

4.1 監測功能

景區客流的監測的內容主要包括了實時的各個通道通過的客流量、整個景區的客流量和整個景區的客流密度。對于這種實時監測的功能，系統每隔 30 s都會主動從數據庫中讀取最新的人流數據。同時利用基于JS的Echarts庫，能夠將數值通過壓力圖表的模式表現出來。根據最新數據計算景區內的客流量和客流密度，并且將數值加入到系統中的壓力表之中，壓力表通過指針的位置表現具體密度值，表盤上的顏色可直觀表現出不同密度值所表達的安全預警等級，如圖5(a)所示。

另一方面，在“實時人流監測”模塊中，同樣可以引入基于JS的地圖模塊，利用百度地圖API和下載的瓦片地圖，可以在系統中直接創建地圖窗口，在表達目標要素的同時也同時表達出了周邊的地理要素。在地圖窗口中可創建具備實時監測功能的攝像頭，如圖5(b)所示，點擊地圖上的圖標，能獲取該地點最新的人流數據，同時若 30 s內，出入人次總和超過50人，且進入人次是離開人次的三倍以上，圖標會自動變成警示紅色，提醒該通道進入人流過大。

圖5

4.2 預警功能

客流預警功能主要包括兩部分，一部分是系統根據當前客流量對一定未來時間內的客流量進行預測，另一部分是根據當前的客流密度進行評定，判定景區安全等級，并提供在當前安全等級應采取的措施。

如圖6所示，在系統中創建了客流變化預測折線圖，結合已有的南鑼鼓巷歷史客流數據和對游客人流變化預測的算法，動態表示整個景區的客流變化。圖中X坐標表示時間，Y坐標表示當前景區的客流總量，背景的五個顏色代表五個安全預警等級，從上到下，從紅到綠安全等級越來越低。圖中的黑線表示當前景區的客流總數，粉色線表示根據算法預測的客流總數，預測數據比實際數據超前兩個小時，代表對于整個景區的客流量預測變化。

圖6 景區客流量預測圖

對于該模塊中根據當前的安全等級進行指導的功能，系統可以通過動畫和文本的雙重模式進行表達。在景區管理過程中，對應不同的安全等級狀態需要采取不同的措施，系統能夠根據當前的安全等級狀態，主動提出對應的安全措施，并且通過可視化方法進行演示，如圖7所示，當整個景區的客流密度已經達到第二級安全預警的時候，系統會對這種情況進行演示，包括了應采取的措施，人流疏散的方向等。

圖7 景區疏散措施示意圖

4.3 信息查詢功能

景區信息查詢功能包括了景區相關信息和景區歷史客流數據查詢兩個功能。如圖8所示，通過編程語言，顯現了多個與景區信息相關的模塊，包括了景區周邊信息、相關單位信息、景區管理相關文件信息等。用戶可以通過系統直接查詢這些信息，并通過系統進行聯系單位或發送郵件等操作。

圖8景區相關信息查詢界面

對于景區歷史客流數據的查詢，系統可以根據具體日期或者年份進行查詢，如圖9(a)所示，在系統界面中輸入要查詢的年份或具體日期，系統會將要查詢的結果直接通過柱狀圖表示。對于歷史查詢的結果，系統可以將查詢的結果導出成規范格式的報表或Excel格式的表格數據，方便查詢數據的利用，如圖9(b)所示。

圖9

5 結 論

通過高精度激光人流監測設備獲取數據，能夠快速獲取整個景區精確的人流數量，結合針對景區開發相應的大客流監測及預警系統，做到高效的景區管理，預防因為客流過大帶來的安全隱患，幫助更高效的管理景區。此外，將景區的客流管控和景區周邊的交通管理相結合，也能夠有效的優化景區周邊的交通環境。不過當前客流變化的預測準確性還存在著一定的不足，精確性不夠高。因此，下一步的研究方向將重點放在客流變化的預測算法，通過改進算法，綜合不斷積累的歷史數據，進而提高整個系統的客流預警功能。

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StudyonPassengerFlowMonitoringandEarlyWarningSystemBasedonHighPrecisionLaserEquipment

Wang Shuo1，2，Zhang Jianqin1，2

(1.Beijing University of Civil Engineering andArchitecture，Beijing 100044 China； 2.Key Laboratory for Urban Geomatics ofNationalAdministration of Surveying，Mapping and Geoinformation，Beijing 100044，China)

Now more and more scenic spots have security risks，because the passenger flow is too large.The traditional scenic spot management methods can not achieve real-time high precision monitoring and early warning，and to make early disposal.In this paper，the high precision laser detection equipment is used to obtain the data of the passenger flow in the scenic spot. At the same time，the passenger flow data and the geographic information data are combined，and the passenger flow monitoring and warning system is developed based on the Java Web technology.This method can realize the real-time monitoring of the scenic spot.It can grasp the real time data of scenic spot and the change of the passenger flow，also can prompt and guide the scenic spot management.

high precision laser passenger flow；large passenger flow monitoring；Web system development；passenger warning

1672-8262(2017)06-10-06

P208.2

A

2017—04—05

王碩(1989—)，男，碩士研究生，研究方向：數字可視化、智慧城市等。

北京市自然科學基金資助項目(8173053)；北京建筑大學校設基金(00331616042)。